工程材料及成型技術(shù)基礎(chǔ)材料性能教學(xué)文稿.ppt

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1、工程材料及成型技術(shù)基礎(chǔ)材料性能2、晶胞由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點(diǎn)，為了便于討論通常只從晶格中，選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞，整個(gè)晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。3、晶格常數(shù)在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿其三條棱邊作三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度和棱面夾角來表示晶胞的形狀和大小。（三）、金屬中常見晶格由于金屬鍵結(jié)合力較強(qiáng)，是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種

2、晶格類型。1、體心立方晶格bcc體心立方晶格的晶胞它是一個(gè)立方體。在晶胞的中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有，每個(gè)晶胞實(shí)際上只占有1／8個(gè)原子。而中心的原子為該晶胞所獨(dú)有。故晶胞中實(shí)際原子數(shù)為8×1／8＋1＝2（個(gè)）。具有體心立方晶格的金屬有、等。2、面心立方晶格面心立方晶格也是一個(gè)立方體，在晶胞的每個(gè)角上和晶胞的六個(gè)面的中心都排一個(gè)原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有，而每個(gè)面中心的原子為兩個(gè)晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8×1／8＋6×1／2＝4（個(gè)）。具有面心立方晶格的金屬有、等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，

3、有六個(gè)呈長方形的側(cè)面和兩個(gè)呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個(gè)晶格常數(shù)表示。一個(gè)是柱體的高度c，另一個(gè)是六邊形的邊長，在晶胞的每個(gè)角上和上、下底面的中心都排列一個(gè)原子，另外在晶胞中間還有三個(gè)原子。密排六方晶胞每個(gè)角上的原子為相鄰的六個(gè)晶胞所共有，上、下底面中心的原子為兩個(gè)原子所共有，晶胞中三個(gè)原子為該晶胞獨(dú)有。所以，密排六方晶胞中原子數(shù)為12×1／6＋2×1／2＋3＝6（個(gè)）。具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn。（四）、晶體結(jié)構(gòu)的致密度晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，可用來原子排列的緊密程度進(jìn)行定量比較。在體心立方晶胞中，含有2個(gè)原子。這2個(gè)原子的體積為2

4、×（4／3）πr3，式中r為原子半徑。故體心立方晶格的致密度為：2個(gè)原子的體積與晶胞體積之比等于0.68。這表明在體心立方晶格中，有68％的體積被所占據(jù)，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為0.74。顯然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當(dāng)鐵由面心立方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時(shí)，由于致密度減小而使體積膨脹。三、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）、金屬材料都是多晶體我們把晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體只有經(jīng)過特殊制作才能獲得。實(shí)際上，常使用的金屬材料，由于受結(jié)晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由許多尺寸很小，各自結(jié)晶方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體

5、構(gòu)成。這些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即為晶界。在一個(gè)晶粒內(nèi)部其結(jié)晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。（二）、晶體的缺陷晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過原子間的作用力計(jì)算所得數(shù)值。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷1、點(diǎn)缺陷——空位和間隙原子在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中

6、，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時(shí)又可能在個(gè)別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。由于空位和間隙原子的存在，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強(qiáng)度、硬度和電阻增加。晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運(yùn)動(dòng)和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)，是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。2、線缺陷——位錯(cuò)晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，稱為位錯(cuò)。其特征是在一個(gè)方向上的尺寸很長，而另兩個(gè)方向的尺寸很短。晶體中位錯(cuò)的

7、數(shù)量通常用位錯(cuò)密度表示，位錯(cuò)密度是指單位體積內(nèi)，位錯(cuò)線的總長度。位錯(cuò)的存在以及位錯(cuò)密度的變化，對金屬的性能如強(qiáng)度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑性變形與位錯(cuò)的移動(dòng)有關(guān)。冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強(qiáng)度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯(cuò)密度的增加所致。3、面缺陷——晶界和亞晶界實(shí)際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實(shí)際上是一個(gè)原子排列不規(guī)則的區(qū)域（如圖2－23、2－24），該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強(qiáng)度和硬度